JPH04139071A

JPH04139071A - セラミック焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH04139071A
Application number: JP2262257A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Yogo; 哲爾余語; Takayoshi Morishita; 森下　高好
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-05-13
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: JP2777674B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、セラミック焼結体の製造方法に関し、更に詳
しくいえば、厚肉中心部の欠陥を生じさせない脱脂工程
を有するセラミック焼結体の製造方法に関する。本発明
は、タービンロータ等のセラミックス製品、特に厚肉部
を有するセラミックス製品の製造に利用される。

〔従来の技術〕

近年、セラミック材料は、自動車部品、耐熱材料、電子
材料、機械工具等、その用途が急激に広がりつつあり、
それに伴い、セラミック製品の〜晶形状も複雑化してい
る。そのため、セラミック材料を！ＪＩＨな形状の成形
体に精度良く、効率的に成形する方法として、射出成形
法が多用されているが、この方法では、容量比で約５０
％（重量比で約３０％）近くに当たる有機質系結合剤、
可塑剤、滑剤等を添加し成形するために、脱指工程が必
要となる。

そして、この脱脂方法としては、成形体の表層部と内部
間の大きな温度差により、表層部が急速に脱脂され、脱
脂体にキレを生ずるのを防止する為、セラミック成形体
をアルミナ粉末からなる埋込材中に埋め込んで、脱脂す
る方法が知られている（特開昭５７−１００９７３号公
報等）。

また、加熱脱脂中にバインダーが分解されてガスが発生
し、このガス圧力で、成形体の′体積が膨張し、成形体
にクラックが発生するのを防止する為、成形体を加圧下
で脱脂する方法が知られている（特開昭６０−１１８６
７５号公報）。更に、成形体をセラミック粉末中に埋没
させ、減圧速度を調節し、減圧時の成形体内のガス膨張
によるクラックの発生を抑制する方法が知られている（
特開平２−１７２８５３号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記の従来方法において、成形体を埋込材中に埋め込ん
で脱脂した場合には、有機バインダーが成形体表面より
埋込材中へ均一に分解拡散していくが、バインダーの軟
化時の膨張、分解移動時の収縮等により、成形体の最大
肉厚部に脱脂時のキレが発生し易い。また、加圧雰囲気
下で脱脂する場合も同様に、成形体の肉厚が厚くなると
、成形体の最大肉厚部に脱脂キレが発生することもある
。

更に、通常、脱脂工程においては、急激な有機質系結合
剤等の熱分解を抑制するため長時間（例えば、肉厚１０
ｍｍ程度で約１週間）をかけ加熱が行われており、非能
率的といえる。

本発明は、上記問題点を解決するものであり、セラミッ
ク成形体の表面の一部を樹脂等で被覆して、分解バイン
ダーの拡散方向を規制することにより、肉厚中心部の欠
陥等を生じさせず、しかも迅速に脱脂できるセラミック
焼結体の製造方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本第１発明に係わるセラミック焼結体の製造方法は、セ
ラミック粉末と有機バインダーからなる成形体を脱脂後
、焼成することにより焼結体を得るセラミック焼結体の
製造方法において、前８己成形体の表面の一部を、前記
有機バインダーの融点若しくは熱分解温度よりも高い融
点若しくは熱分解温度を有する樹脂又はゴムからなる皮
膜で被覆し、その後１気圧以上の雰囲気中にて、該皮膜
を構成する樹脂若しくはゴムの融点若しくは熱分解温度
よりも低い温度で加熱して予備脱脂を行い、次いで該皮
膜の融点若しくは熱分解温度以上に加熱して該皮膜を除
去し、本脱脂を行うことを特徴とする。

前記皮膜を構成する「樹脂又はゴム」　（以下、皮膜材
という。）の融点は、バインダーの融点又は熱分解温＆
Ｊ２Ｊ上である。この樹脂としては、例えば、酢酸ビニ
ル、アクリル、ポリウレタン、−シリコン、エポキシ、
ポリエステル及びフェノール樹脂等を、また、ゴムとし
ては、例えば、５ＢＲ（スチレンブタジェンゴム）、天
然ゴム、シリコンゴム及びクロロブレンゴム等を用いる
ことができる。

前記皮膜を被覆する面の面積は、前記成形体の全表面積
の５０〜９０％であるのが望ましい。これは、次の理由
による。即ち、この皮膜材を付けない面（以下、露出面
という。）が小さすぎる場合には、予備脱脂において、
有機バインダーの飛散に長時間を要することとなる。一
方、露出面が大きすぎる場合には、バインダーの移動方
向の規制が困難となり、肉厚中心部に欠陥が生じ易くな
る。また、加圧雰囲気にて処理する場合は、成形体に均
等に圧縮され難い部分が増大してくる。

従って、露出面の面積は、製品形状により個々具体的に
検討することが必要であるが、一般に射出成形体の場合
は、全表面積の５０〜９０％であれば欠陥を無くするこ
とができ、且つ脱脂時間の短縮を図ることもできるから
である。尚、焼成後再加工（研磨等）される面をこの露
出面とするのが好ましい。また、薄肉部と厚肉部を有す
る成形体の場合、この皮膜は、通常、薄肉部の全面と厚
肉部の一部が被覆されている。

本第２発明に係わるセラミック焼結体の製造方法におい
ては、前記樹脂又はゴムからなる皮膜で被覆した成形体
を、埋め込み用セラミック粒子からなる埋込材中に埋め
込んだ後に、脱脂を行う。

この「埋込材」の種類、形状、造粒の有無、大き５さ等
は特に問わないが、例えばアルミナ、コージェライト、
ジルコニア、無定形シリカ、中空シリカ等のセラミック
粉末のうちから、目的、用途に応じて種々選択し、使用
することができる。

この様に埋込材を用いるのは、以下の理由による。成形
体が、２０ｍｍを越えるような厚肉部を有する場合に埋
込材を用いないとき、成形体の表面の近傍にて、バイン
ダーの分解物がガス化し、成形体内の分解物に大きな体
積変化を生じさせ、これにより多くの欠陥が発生し易い
。一方、埋込材を用いれば、バインダーの分解物が、分
子量の大きい状態（液状等）にて成形体表面より埋込材
中に移動し、この埋込材中にてガス化する為、成形体内
の分解物の体積変化を小さく抑えることができる。従っ
て、本発明において、埋込材を用いることにより、比較
的肉厚の厚い成形体においても欠陥のない若しくは少な
い脱脂体を得ることができる。尚、成形体の肉厚が約２
０ｍｍ程度までであれば、該成形体を埋込材中に埋め込
まなくてもバインダーの分解ガスの移動方向を規制する
だけで、欠陥の無い脱脂体が得られる。

前記「予備脱脂」において、成形体は、皮膜材の融点若
しくは分解温度より低い温度まで、加熱される。例えば
、天然ゴム、シリコンゴム等で被覆した場合には、２０
０℃程度まで加熱される。

この際、射出成形用有機バインダーの分解時の体積膨張
による成形体内部の圧力増加によるキレの発生を抑制す
る為、加圧雰囲気中にて処理することが望ましい。また
、この場合の圧力は、装置の取扱上１０ｋｇ／ｃｕｔ未
満であるのが望ましい。そして、この方法を行うと、成
形体の中心部のバインダーが抜けるスピードは、従来法
とは異なり、成形体の他の部分と同程度になる。また、
この処理にて中心部のバンダーが抜けた後の空隙率は、
２５％以上となることが望ましい。これは、空隙が繋が
る最低値であり、以下の工程で脱脂を継続する際、残存
バインダーの分解ガスがスムーズに飛散するためである
。尚、非酸化物系のセラミック材料を用いている場合に
は、酸化を抑制するため、窒素又はアルゴン等の非酸化
雰囲気中で行われる。

次いで、皮膜材が融解又は熱分解する温度以上に加熱し
て、皮膜を除去し、本脱脂を行う。この「皮膜を除去し
、本脱脂を行う。」とは、皮膜の除去を主目的とした加
熱と本脱脂を主目的とした加熱の２段加熱を実施する場
合、これらをほぼ同時に併行して実施する場合を含む。

この加熱により、成形体より皮膜材を除去するとともに
、残存した有機バインダー等をほぼ完全に飛散、除去が
でき、脱脂が加速される。尚、この加熱を急激に行って
も、成形体の肉厚中心部にキレを生じさせることはない
。これは、成形体の他の部分のバインダーに比べ成形体
の肉厚中心部のバインダーが、既に予備脱脂においてそ
の量を大きく減じているからである。

尚、本発明は、成形用バインダーを多く使用する射出成
形体に用いるのが有効であるが、肉厚部を有する押出成
形体、金型成形体等に対して用いることもできる。

〔作用〕

以下、球状の成形体を例に挙げ、本発明に係わる焼結体
の製造方法を説明する。

従来の脱脂方法においては、成形体が加熱され、成形体
表面よりバインダーの分解が關始すると、成形体内部で
溶融しているバインダーは、成形体表面近傍へと移動す
る。その際、肉厚中心部では、バインダーの移動ととも
にセラミック粉末も若干移動し、肉厚中心部に欠陥が生
じ易（なる。

一方、本発明においては、第１図に示すように、先ず、
成形体１の露出面を除いた表面に樹脂等の皮膜２を用い
て被覆を行い、必要に応じてこれを埋込材３中に埋め込
み、その後、皮膜材の融点若しくは分解温度より低い温
度にて、この皮膜付成形体１を加熱し、予備脱脂が行わ
れる。これにより、脱脂低温域での有機バインダーの熱
分解物の移動方向が、第２図に示すように規制され、肉
厚中心部のを機バインダーの残量が、他の部分（特に、
被覆された成形体の表面部分ンより少なくなる。

次いで、皮膜材が熱分解等する温度以上に加熱し、成形
体の表面を被覆していた皮膜を分解除去し、同時又はそ
の後本脱脂を行って、第３図に示すように、成形体全体
よりバインダーを分解除去する。これにより欠陥の無い
脱脂体を得ることができる。尚、第２図及び第３図中の
矢印は、バインダーの移動状態を示している。

また、本発明によると最大肉厚中心部のバインダー量を
、成形体の他の部分のバインダー量より少ない状態にし
た後、残存バインダーを分解除去する為、急激な本脱脂
のための加熱をすることができ、これにより脱脂時間の
短縮を図ることもできる。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例１先ず、平均粒径１μｍの窒化珪素粉末１００重量部（以
下、単に部という。）に対し、焼結助剤としてアルミナ
（平均粒径的１μｍ）５部、イツトリア（平均粒径的１
μｍ）５部を添加し、焼結用窒化珪素混合物を調製した
。この混合物に有機質系結合剤として、エチレン−酢酸
ビニル共重合樹脂５部、マイクロクリスタリンワックス
１５Ｎ、可塑剤としてジエチルフタレート４部を加えて
加熱混練し、射出成形用セラミック原料を調製した。

次いで、所定の金型を用い、射出成形法により、前記セ
ラミック原料を射出成形して球状成形体（３０ｍｍφ）
■を２０個成形した。この成形体１の表面積の８０％に
天然ゴム（厚さ１ｍｍ以下）２を被覆し、その後、これ
を脱脂用匣鉢４中に充填された埋込材（アルミナ、平均
粒径；１００μｍ）３中に埋め込んだ（第１［ｒ）。次
いで、脱脂用匣鉢４に振動を与え、埋込材３の嵩密度を
高めてあいた。

更に、これらを、熱風ａｍ式電気炉を用い、１気圧の窒
素雰囲気下において、１００〜１８０℃間は、５℃／時
間の昇温速度で加熱し、次いで１８０℃を１０時間保持
した後、１８０〜５００℃間は１０℃／時間の昇温速度
で加熱し、予備脱脂、皮膜分解及び本脱脂を行った。

このようにして作製した２０個の脱脂体について、キレ
の発生の有無をマイクロフォーカスＸ線を用いて観察し
た。

実施例２各成形体の表面積の６０％に天然ゴムを被覆したこと以
外は、実施例１と同様の方法にて脱脂体を作製し、同様
の方法にてキレの発生のを無を観察した。

実施例３各成形体の表面積の９０％に天然ゴムを被覆したこと、
及び１００〜１８０℃間の昇温速度が２℃／時間である
こと以外は、実施例】と同様の方法にて脱脂体を作製し
、同様の方法にてキレの発生の有無を観察した。

実施例４各成形体の表面積の５０％に天然ゴムを被覆したこと以
外は、実施例１と同様の方法にて脱脂体を作製し、同様
の方法にてキレの発生の有無を観察した。

実施例５本実施例は、加圧下で昇温速度を上げて加熱したもので
ある。即ち、加圧脱脂炉中、窒素雰囲気５気圧の下にお
いて、１００〜１８０℃間は８℃／時間の昇温速度で加
熱し、次いで１８０℃を５時間保持した後、１８０〜５
００℃間は１５℃／時間の昇温速度で加熱し、脱脂した
こと以外は、実施例１と同様の方法にて脱脂体を作製し
、同様の方法にてキレの発生の有無を観察した。

実施例６直径１５ｍｍφの成形体を用いること、及び埋込剤に埋
め込まないこと以外は、実施例１と同様の方法にて脱脂
体を作製し、同様の方法にてキレの発生の有無を観察し
た。

比較例１各成形体に対して、天然ゴムの被覆をしなかったこと以
外は、実施例１と同様の方法にて脱脂体を作製し、同様
の方法にてキレの発生の有無を観察した。

比較例２各成形体に対して、天然ゴムの被覆をしなかったこと以
外は、実施例４と同様の方法にて脱脂体を作製し、同様
の方法にてキレの発生の有無を観察した。

比較例３本比較例は、皮膜形成のない成形体を用いて、実施例１
よりも遅い昇温速度で加熱したものである。即ちミ　１
００〜２００℃間は、２℃／時間の昇温速度で加熱し、
次いで２００〜５００を間は３℃／時間の昇温速度で加
熱したこと以外は、実施例１と同様の方法にて脱脂体を
作製し、同様の方法にてキレの発生のを無を観察した。

比較例４各成形体に対して、天然ゴムの被覆をしなかったこと以
外は、実施例６と同様の方法にて脱脂体を作製し、同様
の方法にてキレの発生の有無を観察した。

以上の観察の結果を、脱脂時間等とともに表に示す。尚
、同表中ｒ被覆率」とは、各成形体の全表面積を１００
とした場合に、各成形体の表面に被覆されているゴム皮
膜の割合（％）を示す。また、同表中に埋込の使用、未
使用も記した。更に、同表中「キレの発生無し」とは、
マイクロフォーカスＸ線にて脱脂体内部にキレがｍ認さ
れなかった場合及び拡大鏡検査にて脱脂体表面にキレが
確認されなかった噛合の両方を満足する場合をいう。こ
れに対して、「キレ有り」とは、前記いずれかでキレが
発見された場合をいう。

（以下、余白）以上の結果によれば、被覆をしない場合（比較例１〜４
）には、キレの発生率が高い。これは、バインダーの移
動方向の規制を十分に果たせなかったためと考えられる
。また、皮膜を形成しない成形体を用いた従来の脱脂方
法（比較例３）において、キレの発生を防止しようとす
れば、加熱速度を遅くして脱脂時間を１５０時間と長く
する必要がある。尚、この場合にふいても、１５％の脱
脂体にキレが発生している。

一方、本発明に係わる脱脂方法を用いた場合のうち、被
覆率が６０〜９０％の場合（実施例１〜３及び実施例５
〜６）には、キレの発生は全く無かった。また、被覆率
が５０％の場合（実施例４）には、若干のキレの発生は
あるものの、従来（比較例１）と比べて５０％も少ない
し、脱脂時間をも考慮すれば、満足できる結果といえる
。即ち、脱脂時間を実施例３の８２時間程度にすれば、
更にキレの発生は少なくなることは明らかである。更に
、埋慧剤を用いない場合（実施例６）においても、比較
例４と比べて良好な結果が得られた。

以上より、本実施例の脱脂方法を用いれば、仕較方法（
比較例１〜４）と比べて、キレの発生が著しく減少し、
且つ脱脂時間も著しく改善されることが判明した。

尚、本発明においては、前記具体的実施例に示すものに
限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変
更した実施例とすることができる。即ち、本製造方法は
、本実施例の如く球状成形体に限らず、種々の形状体に
利用できる。特に、タービンローター等の厚肉部と薄肉
部を有する複雑な形状のセラミックス製品の製造に、好
適である。この場合、薄肉部は全面に被覆し、厚肉部も
一部被覆するのが好ましい。また、前記成形体としては
、前記以外の材質からなるものでもよいし、有機質系結
合剤も前記以外の種類、添加量等とすることもできる。

また、他に有機質系可塑剤、滑剤、その他の各種添加剤
等を用いることもできる。更に、脱脂条件（脱指温度、
脱肛速度、雰囲気の種類等）は使用材料等により種々選
択される。

〔発明の効果〕

本発明に係わる製造方法によれば、前記作用に示すよう
に、肉厚中心部等の脱脂欠陥の発生を防止することがで
きる。また、本製造方法を用いることにより、脱脂時間
の短縮化を図ることもでき、ひいては焼結体の製造時間
を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例において成形体を埋込材中に埋を込んだ
状態を示す説明断面図、第２図は予備脱脂時のバインダ
ーの移動状態を示す説明図、第３図は本脱脂時のバイン
ダーの移動状態を示す説駅図である。１；球状成形体、
２；天然ゴム皮膜、３；埋込材、４；脱脂用匣鉢。特許出願人　　日本特殊陶業株式会社−代　理　人　　
弁理士　小島清路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セラミック粉末と有機バインダーからなる成形体
を脱脂後、焼成することにより焼結体を得るセラミック
焼結体の製造方法において、前記成形体の表面の一部を、前記有機バインダーの融点
若しくは熱分解温度よりも高い融点若しくは熱分解温度
を有する樹脂又はゴムからなる皮膜で被覆し、その後１気圧以上の雰囲気中にて、該皮膜を構成する樹
脂若しくはゴムの融点若しくは熱分解温度よりも低い温
度で加熱して予備脱脂を行い、次いで該皮膜の融点若し
くは熱分解温度以上に加熱して該皮膜を除去し、本脱脂
を行うことを特徴とするセラミック焼結体の製造方法。
（２）前記樹脂又はゴムからなる皮膜で被覆した成形体
を、埋め込み用セラミック粒子からなる埋込材中に埋め
込んだ後、１気圧以上の雰囲気中にて、該皮膜を構成す
る樹脂若しくはゴムの融点若しくは熱分解温度よりも低
い温度で加熱して予備脱脂を行い、次いで該皮膜の融点
若しくは熱分解温度以上に加熱して該皮膜を除去し、本
脱脂を行う請求項１記載のセラミック焼結体の製造方法
。
（３）前記樹脂又はゴムからなる皮膜を被覆する面の面
積は、前記成形体の全表面積の５０〜９０％である請求
項１記載のセラミック焼結体の製造方法。